Chapter 10 – Introduction to Artificial Neural Networks with Keras

This notebook contains all the sample code and solutions to the exercises in chapter 10.

Setup

First, let's import a few common modules, ensure MatplotLib plots figures inline and prepare a function to save the figures. We also check that Python 3.5 or later is installed (although Python 2.x may work, it is deprecated so we strongly recommend you use Python 3 instead), as well as Scikit-Learn ≥0.20 and TensorFlow ≥2.0-preview.

# Python ≥3.5 is required
import sys
assert sys.version_info >= (3, 5)

# Scikit-Learn ≥0.20 is required
import sklearn
assert sklearn.__version__ >= "0.20"

# TensorFlow ≥2.0-preview is required
import tensorflow as tf
assert tf.__version__ >= "2.0"

# Common imports
import numpy as np
import os

# to make this notebook's output stable across runs
np.random.seed(42)

# To plot pretty figures
%matplotlib inline
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt
mpl.rc('axes', labelsize=14)
mpl.rc('xtick', labelsize=12)
mpl.rc('ytick', labelsize=12)

# Where to save the figures
PROJECT_ROOT_DIR = "."
CHAPTER_ID = "ann"
IMAGES_PATH = os.path.join(PROJECT_ROOT_DIR, "images", CHAPTER_ID)
os.makedirs(IMAGES_PATH, exist_ok=True)

def save_fig(fig_id, tight_layout=True, fig_extension="png", resolution=300):
    path = os.path.join(IMAGES_PATH, fig_id + "." + fig_extension)
    print("Saving figure", fig_id)
    if tight_layout:
        plt.tight_layout()
    plt.savefig(path, format=fig_extension, dpi=resolution)

# Ignore useless warnings (see SciPy issue #5998)
import warnings
warnings.filterwarnings(action="ignore", message="^internal gelsd")

Perceptrons

Note: we set max_iter and tol explicitly to avoid warnings about the fact that their default value will change in future versions of Scikit-Learn.

import numpy as np
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.linear_model import Perceptron

iris = load_iris()
X = iris.data[:, (2, 3)]  # petal length, petal width
y = (iris.target == 0).astype(np.int)

per_clf = Perceptron(max_iter=1000, tol=1e-3, random_state=42)
per_clf.fit(X, y)

y_pred = per_clf.predict([[2, 0.5]])

y_pred

array([1])

a = -per_clf.coef_[0][0] / per_clf.coef_[0][1]
b = -per_clf.intercept_ / per_clf.coef_[0][1]

axes = [0, 5, 0, 2]

x0, x1 = np.meshgrid(
        np.linspace(axes[0], axes[1], 500).reshape(-1, 1),
        np.linspace(axes[2], axes[3], 200).reshape(-1, 1),
    )
X_new = np.c_[x0.ravel(), x1.ravel()]
y_predict = per_clf.predict(X_new)
zz = y_predict.reshape(x0.shape)

plt.figure(figsize=(10, 4))
plt.plot(X[y==0, 0], X[y==0, 1], "bs", label="Not Iris-Setosa")
plt.plot(X[y==1, 0], X[y==1, 1], "yo", label="Iris-Setosa")

plt.plot([axes[0], axes[1]], [a * axes[0] + b, a * axes[1] + b], "k-", linewidth=3)
from matplotlib.colors import ListedColormap
custom_cmap = ListedColormap(['#9898ff', '#fafab0'])

plt.contourf(x0, x1, zz, cmap=custom_cmap)
plt.xlabel("Petal length", fontsize=14)
plt.ylabel("Petal width", fontsize=14)
plt.legend(loc="lower right", fontsize=14)
plt.axis(axes)

save_fig("perceptron_iris_plot")
plt.show()

Saving figure perceptron_iris_plot

Activation functions

def sigmoid(z):
    return 1 / (1 + np.exp(-z))

def relu(z):
    return np.maximum(0, z)

def derivative(f, z, eps=0.000001):
    return (f(z + eps) - f(z - eps))/(2 * eps)

z = np.linspace(-5, 5, 200)

plt.figure(figsize=(11,4))

plt.subplot(121)
plt.plot(z, np.sign(z), "r-", linewidth=1, label="Step")
plt.plot(z, sigmoid(z), "g--", linewidth=2, label="Sigmoid")
plt.plot(z, np.tanh(z), "b-", linewidth=2, label="Tanh")
plt.plot(z, relu(z), "m-.", linewidth=2, label="ReLU")
plt.grid(True)
plt.legend(loc="center right", fontsize=14)
plt.title("Activation functions", fontsize=14)
plt.axis([-5, 5, -1.2, 1.2])

plt.subplot(122)
plt.plot(z, derivative(np.sign, z), "r-", linewidth=1, label="Step")
plt.plot(0, 0, "ro", markersize=5)
plt.plot(0, 0, "rx", markersize=10)
plt.plot(z, derivative(sigmoid, z), "g--", linewidth=2, label="Sigmoid")
plt.plot(z, derivative(np.tanh, z), "b-", linewidth=2, label="Tanh")
plt.plot(z, derivative(relu, z), "m-.", linewidth=2, label="ReLU")
plt.grid(True)
#plt.legend(loc="center right", fontsize=14)
plt.title("Derivatives", fontsize=14)
plt.axis([-5, 5, -0.2, 1.2])

save_fig("activation_functions_plot")
plt.show()

Saving figure activation_functions_plot

def heaviside(z):
    return (z >= 0).astype(z.dtype)

def mlp_xor(x1, x2, activation=heaviside):
    return activation(-activation(x1 + x2 - 1.5) + activation(x1 + x2 - 0.5) - 0.5)

x1s = np.linspace(-0.2, 1.2, 100)
x2s = np.linspace(-0.2, 1.2, 100)
x1, x2 = np.meshgrid(x1s, x2s)

z1 = mlp_xor(x1, x2, activation=heaviside)
z2 = mlp_xor(x1, x2, activation=sigmoid)

plt.figure(figsize=(10,4))

plt.subplot(121)
plt.contourf(x1, x2, z1)
plt.plot([0, 1], [0, 1], "gs", markersize=20)
plt.plot([0, 1], [1, 0], "y^", markersize=20)
plt.title("Activation function: heaviside", fontsize=14)
plt.grid(True)

plt.subplot(122)
plt.contourf(x1, x2, z2)
plt.plot([0, 1], [0, 1], "gs", markersize=20)
plt.plot([0, 1], [1, 0], "y^", markersize=20)
plt.title("Activation function: sigmoid", fontsize=14)
plt.grid(True)

Building an Image Classifier

First let's import TensorFlow and Keras.

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras

tf.__version__

'2.0.0-rc2'

keras.__version__

'2.2.4-tf'

Let's start by loading the fashion MNIST dataset. Keras has a number of functions to load popular datasets in keras.datasets. The dataset is already split for you between a training set and a test set, but it can be useful to split the training set further to have a validation set:

fashion_mnist = keras.datasets.fashion_mnist
(X_train_full, y_train_full), (X_test, y_test) = fashion_mnist.load_data()

The training set contains 60,000 grayscale images, each 28x28 pixels:

X_train_full.shape

(60000, 28, 28)

Each pixel intensity is represented as a byte (0 to 255):

X_train_full.dtype

dtype('uint8')

Let's split the full training set into a validation set and a (smaller) training set. We also scale the pixel intensities down to the 0-1 range and convert them to floats, by dividing by 255.

X_valid, X_train = X_train_full[:5000] / 255., X_train_full[5000:] / 255.
y_valid, y_train = y_train_full[:5000], y_train_full[5000:]
X_test = X_test / 255.

You can plot an image using Matplotlib's imshow() function, with a 'binary' color map:

plt.imshow(X_train[0], cmap="binary")
plt.axis('off')
plt.show()

The labels are the class IDs (represented as uint8), from 0 to 9:

y_train

array([4, 0, 7, ..., 3, 0, 5], dtype=uint8)

Here are the corresponding class names:

class_names = ["T-shirt/top", "Trouser", "Pullover", "Dress", "Coat",
               "Sandal", "Shirt", "Sneaker", "Bag", "Ankle boot"]

So the first image in the training set is a coat:

class_names[y_train[0]]

'Coat'

The validation set contains 5,000 images, and the test set contains 10,000 images:

X_valid.shape

(5000, 28, 28)

X_test.shape

(10000, 28, 28)

Let's take a look at a sample of the images in the dataset:

n_rows = 4
n_cols = 10
plt.figure(figsize=(n_cols * 1.2, n_rows * 1.2))
for row in range(n_rows):
    for col in range(n_cols):
        index = n_cols * row + col
        plt.subplot(n_rows, n_cols, index + 1)
        plt.imshow(X_train[index], cmap="binary", interpolation="nearest")
        plt.axis('off')
        plt.title(class_names[y_train[index]], fontsize=12)
plt.subplots_adjust(wspace=0.2, hspace=0.5)
save_fig('fashion_mnist_plot', tight_layout=False)
plt.show()

Saving figure fashion_mnist_plot

model = keras.models.Sequential()
model.add(keras.layers.Flatten(input_shape=[28, 28]))
model.add(keras.layers.Dense(300, activation="relu"))
model.add(keras.layers.Dense(100, activation="relu"))
model.add(keras.layers.Dense(10, activation="softmax"))

keras.backend.clear_session()
np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

model = keras.models.Sequential([
    keras.layers.Flatten(input_shape=[28, 28]),
    keras.layers.Dense(300, activation="relu"),
    keras.layers.Dense(100, activation="relu"),
    keras.layers.Dense(10, activation="softmax")
])

model.layers

[<tensorflow.python.keras.layers.core.Flatten at 0x7f43286cc550>,
 <tensorflow.python.keras.layers.core.Dense at 0x7f43286cc588>,
 <tensorflow.python.keras.layers.core.Dense at 0x7f43286a6048>,
 <tensorflow.python.keras.layers.core.Dense at 0x7f43286a6eb8>]

model.summary()

Model: "sequential"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
flatten (Flatten)            (None, 784)               0         
_________________________________________________________________
dense (Dense)                (None, 300)               235500    
_________________________________________________________________
dense_1 (Dense)              (None, 100)               30100     
_________________________________________________________________
dense_2 (Dense)              (None, 10)                1010      
=================================================================
Total params: 266,610
Trainable params: 266,610
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

keras.utils.plot_model(model, "my_mnist_model.png", show_shapes=True)

Failed to import pydot. You must install pydot and graphviz for `pydotprint` to work.

hidden1 = model.layers[1]
hidden1.name

'dense'

model.get_layer(hidden1.name) is hidden1

True

weights, biases = hidden1.get_weights()

weights

array([[ 0.02448617, -0.00877795, -0.02189048, ..., -0.02766046,
         0.03859074, -0.06889391],
       [ 0.00476504, -0.03105379, -0.0586676 , ...,  0.00602964,
        -0.02763776, -0.04165364],
       [-0.06189284, -0.06901957,  0.07102345, ..., -0.04238207,
         0.07121518, -0.07331658],
       ...,
       [-0.03048757,  0.02155137, -0.05400612, ..., -0.00113463,
         0.00228987,  0.05581069],
       [ 0.07061854, -0.06960931,  0.07038955, ..., -0.00384101,
         0.00034875,  0.02878492],
       [-0.06022581,  0.01577859, -0.02585464, ..., -0.00527829,
         0.00272203, -0.06793761]], dtype=float32)

weights.shape

(784, 300)

biases

array([0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,
       0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.], dtype=float32)

biases.shape

(300,)

model.compile(loss="sparse_categorical_crossentropy",
              optimizer="sgd",
              metrics=["accuracy"])

This is equivalent to:

model.compile(loss=keras.losses.sparse_categorical_crossentropy,
              optimizer=keras.optimizers.SGD(),
              metrics=[keras.metrics.sparse_categorical_accuracy])

history = model.fit(X_train, y_train, epochs=30,
                    validation_data=(X_valid, y_valid))

Train on 55000 samples, validate on 5000 samples
Epoch 1/30
55000/55000 [==============================] - 6s 102us/sample - loss: 0.7228 - accuracy: 0.7623 - val_loss: 0.5304 - val_accuracy: 0.8160
Epoch 2/30
55000/55000 [==============================] - 5s 91us/sample - loss: 0.4838 - accuracy: 0.8323 - val_loss: 0.4494 - val_accuracy: 0.8454
Epoch 3/30
55000/55000 [==============================] - 5s 99us/sample - loss: 0.4380 - accuracy: 0.8471 - val_loss: 0.4177 - val_accuracy: 0.8552
Epoch 4/30
55000/55000 [==============================] - 6s 112us/sample - loss: 0.4127 - accuracy: 0.8555 - val_loss: 0.3902 - val_accuracy: 0.8656
Epoch 5/30
55000/55000 [==============================] - 6s 101us/sample - loss: 0.3930 - accuracy: 0.8623 - val_loss: 0.3973 - val_accuracy: 0.8618
Epoch 6/30
55000/55000 [==============================] - 6s 109us/sample - loss: 0.3776 - accuracy: 0.8669 - val_loss: 0.3731 - val_accuracy: 0.8742
Epoch 7/30
55000/55000 [==============================] - 6s 105us/sample - loss: 0.3646 - accuracy: 0.8709 - val_loss: 0.3662 - val_accuracy: 0.8682
Epoch 8/30
55000/55000 [==============================] - 5s 98us/sample - loss: 0.3525 - accuracy: 0.8747 - val_loss: 0.3624 - val_accuracy: 0.8736
Epoch 9/30
55000/55000 [==============================] - 6s 104us/sample - loss: 0.3414 - accuracy: 0.8785 - val_loss: 0.3646 - val_accuracy: 0.8734
Epoch 10/30
55000/55000 [==============================] - 6s 109us/sample - loss: 0.3323 - accuracy: 0.8820 - val_loss: 0.3485 - val_accuracy: 0.8770
Epoch 11/30
55000/55000 [==============================] - 6s 102us/sample - loss: 0.3249 - accuracy: 0.8841 - val_loss: 0.3379 - val_accuracy: 0.8788
Epoch 12/30
55000/55000 [==============================] - 6s 104us/sample - loss: 0.3171 - accuracy: 0.8860 - val_loss: 0.3407 - val_accuracy: 0.8796
Epoch 13/30
55000/55000 [==============================] - 6s 109us/sample - loss: 0.3093 - accuracy: 0.8889 - val_loss: 0.3297 - val_accuracy: 0.8852
Epoch 14/30
55000/55000 [==============================] - 5s 93us/sample - loss: 0.3030 - accuracy: 0.8917 - val_loss: 0.3222 - val_accuracy: 0.8848
Epoch 15/30
55000/55000 [==============================] - 5s 91us/sample - loss: 0.2961 - accuracy: 0.8942 - val_loss: 0.3252 - val_accuracy: 0.8842
Epoch 16/30
55000/55000 [==============================] - 5s 93us/sample - loss: 0.2898 - accuracy: 0.8950 - val_loss: 0.3280 - val_accuracy: 0.8818
Epoch 17/30
55000/55000 [==============================] - 5s 91us/sample - loss: 0.2834 - accuracy: 0.8977 - val_loss: 0.3108 - val_accuracy: 0.8910
Epoch 18/30
55000/55000 [==============================] - 6s 101us/sample - loss: 0.2774 - accuracy: 0.8999 - val_loss: 0.3263 - val_accuracy: 0.8860
Epoch 19/30
55000/55000 [==============================] - 6s 101us/sample - loss: 0.2730 - accuracy: 0.9019 - val_loss: 0.3578 - val_accuracy: 0.8666
Epoch 20/30
55000/55000 [==============================] - 6s 109us/sample - loss: 0.2682 - accuracy: 0.9031 - val_loss: 0.3018 - val_accuracy: 0.8928
Epoch 21/30
55000/55000 [==============================] - 6s 104us/sample - loss: 0.2626 - accuracy: 0.9058 - val_loss: 0.3179 - val_accuracy: 0.8834
Epoch 22/30
55000/55000 [==============================] - 6s 109us/sample - loss: 0.2585 - accuracy: 0.9064 - val_loss: 0.3169 - val_accuracy: 0.8876
Epoch 23/30
55000/55000 [==============================] - 6s 106us/sample - loss: 0.2546 - accuracy: 0.9084 - val_loss: 0.3041 - val_accuracy: 0.8938
Epoch 24/30
55000/55000 [==============================] - 6s 112us/sample - loss: 0.2486 - accuracy: 0.9101 - val_loss: 0.3023 - val_accuracy: 0.8938
Epoch 25/30
55000/55000 [==============================] - 5s 100us/sample - loss: 0.2452 - accuracy: 0.9119 - val_loss: 0.3093 - val_accuracy: 0.8876
Epoch 26/30
55000/55000 [==============================] - 5s 95us/sample - loss: 0.2407 - accuracy: 0.9147 - val_loss: 0.3198 - val_accuracy: 0.8840
Epoch 27/30
55000/55000 [==============================] - 6s 101us/sample - loss: 0.2362 - accuracy: 0.9147 - val_loss: 0.3005 - val_accuracy: 0.8908
Epoch 28/30
55000/55000 [==============================] - 5s 97us/sample - loss: 0.2330 - accuracy: 0.9159 - val_loss: 0.3020 - val_accuracy: 0.8928
Epoch 29/30
55000/55000 [==============================] - 5s 94us/sample - loss: 0.2289 - accuracy: 0.9178 - val_loss: 0.2991 - val_accuracy: 0.8954
Epoch 30/30
55000/55000 [==============================] - 5s 94us/sample - loss: 0.2249 - accuracy: 0.9190 - val_loss: 0.3289 - val_accuracy: 0.8820

history.params

{'batch_size': 32,
 'epochs': 30,
 'steps': 1719,
 'samples': 55000,
 'verbose': 0,
 'do_validation': True,
 'metrics': ['loss', 'accuracy', 'val_loss', 'val_accuracy']}

print(history.epoch)

[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29]

history.history.keys()

dict_keys(['loss', 'accuracy', 'val_loss', 'val_accuracy'])

import pandas as pd

pd.DataFrame(history.history).plot(figsize=(8, 5))
plt.grid(True)
plt.gca().set_ylim(0, 1)
save_fig("keras_learning_curves_plot")
plt.show()

Saving figure keras_learning_curves_plot

model.evaluate(X_test, y_test)

10000/1 [=======================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================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================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================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=========================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================] - 0s 45us/sample - loss: 0.3227 - accuracy: 0.8688

[0.36374490537643434, 0.8688]

X_new = X_test[:3]
y_proba = model.predict(X_new)
y_proba.round(2)

array([[0.  , 0.  , 0.  , 0.  , 0.  , 0.01, 0.  , 0.02, 0.  , 0.98],
       [0.  , 0.  , 1.  , 0.  , 0.  , 0.  , 0.  , 0.  , 0.  , 0.  ],
       [0.  , 1.  , 0.  , 0.  , 0.  , 0.  , 0.  , 0.  , 0.  , 0.  ]],
      dtype=float32)

y_pred = model.predict_classes(X_new)
y_pred

array([9, 2, 1])

np.array(class_names)[y_pred]

array(['Ankle boot', 'Pullover', 'Trouser'], dtype='<U11')

y_new = y_test[:3]
y_new

array([9, 2, 1], dtype=uint8)

plt.figure(figsize=(7.2, 2.4))
for index, image in enumerate(X_new):
    plt.subplot(1, 3, index + 1)
    plt.imshow(image, cmap="binary", interpolation="nearest")
    plt.axis('off')
    plt.title(class_names[y_test[index]], fontsize=12)
plt.subplots_adjust(wspace=0.2, hspace=0.5)
save_fig('fashion_mnist_images_plot', tight_layout=False)
plt.show()

Saving figure fashion_mnist_images_plot

Regression MLP

Let's load, split and scale the California housing dataset (the original one, not the modified one as in chapter 2):

from sklearn.datasets import fetch_california_housing
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

housing = fetch_california_housing()

X_train_full, X_test, y_train_full, y_test = train_test_split(housing.data, housing.target, random_state=42)
X_train, X_valid, y_train, y_valid = train_test_split(X_train_full, y_train_full, random_state=42)

scaler = StandardScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_valid = scaler.transform(X_valid)
X_test = scaler.transform(X_test)

np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

model = keras.models.Sequential([
    keras.layers.Dense(30, activation="relu", input_shape=X_train.shape[1:]),
    keras.layers.Dense(1)
])
model.compile(loss="mean_squared_error", optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=1e-3))
history = model.fit(X_train, y_train, epochs=20, validation_data=(X_valid, y_valid))
mse_test = model.evaluate(X_test, y_test)
X_new = X_test[:3]
y_pred = model.predict(X_new)

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/20
11610/11610 [==============================] - 1s 86us/sample - loss: 1.6321 - val_loss: 1.5903ETA: 0s - loss: 1.644
Epoch 2/20
11610/11610 [==============================] - 1s 59us/sample - loss: 0.7124 - val_loss: 0.6539
Epoch 3/20
11610/11610 [==============================] - 1s 56us/sample - loss: 0.6348 - val_loss: 0.6039
Epoch 4/20
11610/11610 [==============================] - 1s 56us/sample - loss: 0.5983 - val_loss: 0.5738
Epoch 5/20
11610/11610 [==============================] - 1s 53us/sample - loss: 0.5713 - val_loss: 0.5406
Epoch 6/20
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.5482 - val_loss: 0.5221
Epoch 7/20
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.5298 - val_loss: 0.4965
Epoch 8/20
11610/11610 [==============================] - 1s 56us/sample - loss: 0.5138 - val_loss: 0.4843
Epoch 9/20
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.5005 - val_loss: 0.4684
Epoch 10/20
11610/11610 [==============================] - 1s 55us/sample - loss: 0.4884 - val_loss: 0.4558
Epoch 11/20
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.4783 - val_loss: 0.4469
Epoch 12/20
11610/11610 [==============================] - 1s 59us/sample - loss: 0.4696 - val_loss: 0.4383
Epoch 13/20
11610/11610 [==============================] - 1s 58us/sample - loss: 0.4621 - val_loss: 0.4320
Epoch 14/20
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.4554 - val_loss: 0.4255
Epoch 15/20
11610/11610 [==============================] - 1s 58us/sample - loss: 0.4495 - val_loss: 0.4184
Epoch 16/20
11610/11610 [==============================] - 1s 58us/sample - loss: 0.4443 - val_loss: 0.4126
Epoch 17/20
11610/11610 [==============================] - 1s 58us/sample - loss: 0.4397 - val_loss: 0.4087
Epoch 18/20
11610/11610 [==============================] - 1s 59us/sample - loss: 0.4352 - val_loss: 0.4057
Epoch 19/20
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.4316 - val_loss: 0.4005
Epoch 20/20
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.4280 - val_loss: 0.3975
5160/1 [=======================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================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- 0s 29us/sample - loss: 0.3515

plt.plot(pd.DataFrame(history.history))
plt.grid(True)
plt.gca().set_ylim(0, 1)
plt.show()

y_pred

array([[0.36892918],
       [1.6819053 ],
       [3.0886497 ]], dtype=float32)

Functional API

Not all neural network models are simply sequential. Some may have complex topologies. Some may have multiple inputs and/or multiple outputs. For example, a Wide & Deep neural network (see paper) connects all or part of the inputs directly to the output layer.

np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

input_ = keras.layers.Input(shape=X_train.shape[1:])
hidden1 = keras.layers.Dense(30, activation="relu")(input_)
hidden2 = keras.layers.Dense(30, activation="relu")(hidden1)
concat = keras.layers.concatenate([input_, hidden2])
output = keras.layers.Dense(1)(concat)
model = keras.models.Model(inputs=[input_], outputs=[output])

model.summary()

Model: "model"
__________________________________________________________________________________________________
Layer (type)                    Output Shape         Param #     Connected to                     
==================================================================================================
input_1 (InputLayer)            [(None, 8)]          0                                            
__________________________________________________________________________________________________
dense_5 (Dense)                 (None, 30)           270         input_1[0][0]                    
__________________________________________________________________________________________________
dense_6 (Dense)                 (None, 30)           930         dense_5[0][0]                    
__________________________________________________________________________________________________
concatenate (Concatenate)       (None, 38)           0           input_1[0][0]                    
                                                                 dense_6[0][0]                    
__________________________________________________________________________________________________
dense_7 (Dense)                 (None, 1)            39          concatenate[0][0]                
==================================================================================================
Total params: 1,239
Trainable params: 1,239
Non-trainable params: 0
__________________________________________________________________________________________________

model.compile(loss="mean_squared_error", optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=1e-3))
history = model.fit(X_train, y_train, epochs=20,
                    validation_data=(X_valid, y_valid))
mse_test = model.evaluate(X_test, y_test)
y_pred = model.predict(X_new)

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/20
11610/11610 [==============================] - 1s 110us/sample - loss: 1.2474 - val_loss: 0.8727
Epoch 2/20
11610/11610 [==============================] - 1s 75us/sample - loss: 0.6341 - val_loss: 0.8881
Epoch 3/20
11610/11610 [==============================] - 1s 70us/sample - loss: 0.5885 - val_loss: 0.5573
Epoch 4/20
11610/11610 [==============================] - 1s 73us/sample - loss: 0.5599 - val_loss: 0.5238
Epoch 5/20
11610/11610 [==============================] - 1s 76us/sample - loss: 0.5367 - val_loss: 0.6201
Epoch 6/20
11610/11610 [==============================] - 1s 79us/sample - loss: 0.5170 - val_loss: 0.4979
Epoch 7/20
11610/11610 [==============================] - 1s 76us/sample - loss: 0.5022 - val_loss: 0.5240
Epoch 8/20
11610/11610 [==============================] - 1s 78us/sample - loss: 0.4885 - val_loss: 0.4538
Epoch 9/20
11610/11610 [==============================] - 1s 79us/sample - loss: 0.4778 - val_loss: 0.4906
Epoch 10/20
11610/11610 [==============================] - 1s 77us/sample - loss: 0.4673 - val_loss: 0.4332
Epoch 11/20
11610/11610 [==============================] - 1s 75us/sample - loss: 0.4585 - val_loss: 0.4430
Epoch 12/20
11610/11610 [==============================] - 1s 76us/sample - loss: 0.4508 - val_loss: 0.4182
Epoch 13/20
11610/11610 [==============================] - 1s 76us/sample - loss: 0.4437 - val_loss: 0.4282
Epoch 14/20
11610/11610 [==============================] - 1s 84us/sample - loss: 0.4375 - val_loss: 0.4053
Epoch 15/20
11610/11610 [==============================] - 1s 73us/sample - loss: 0.4316 - val_loss: 0.4192
Epoch 16/20
11610/11610 [==============================] - 1s 75us/sample - loss: 0.4263 - val_loss: 0.3946
Epoch 17/20
11610/11610 [==============================] - 1s 71us/sample - loss: 0.4216 - val_loss: 0.4018
Epoch 18/20
11610/11610 [==============================] - 1s 68us/sample - loss: 0.4168 - val_loss: 0.3910
Epoch 19/20
11610/11610 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.4131 - val_loss: 0.3829
Epoch 20/20
11610/11610 [==============================] - 1s 68us/sample - loss: 0.4093 - val_loss: 0.3807
5160/1 [=======================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================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- 0s 37us/sample - loss: 0.3445

What if you want to send different subsets of input features through the wide or deep paths? We will send 5 features (features 0 to 4), and 6 through the deep path (features 2 to 7). Note that 3 features will go through both (features 2, 3 and 4).

np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

input_A = keras.layers.Input(shape=[5], name="wide_input")
input_B = keras.layers.Input(shape=[6], name="deep_input")
hidden1 = keras.layers.Dense(30, activation="relu")(input_B)
hidden2 = keras.layers.Dense(30, activation="relu")(hidden1)
concat = keras.layers.concatenate([input_A, hidden2])
output = keras.layers.Dense(1, name="output")(concat)
model = keras.models.Model(inputs=[input_A, input_B], outputs=[output])

model.compile(loss="mse", optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=1e-3))

X_train_A, X_train_B = X_train[:, :5], X_train[:, 2:]
X_valid_A, X_valid_B = X_valid[:, :5], X_valid[:, 2:]
X_test_A, X_test_B = X_test[:, :5], X_test[:, 2:]
X_new_A, X_new_B = X_test_A[:3], X_test_B[:3]

history = model.fit((X_train_A, X_train_B), y_train, epochs=20,
                    validation_data=((X_valid_A, X_valid_B), y_valid))
mse_test = model.evaluate((X_test_A, X_test_B), y_test)
y_pred = model.predict((X_new_A, X_new_B))

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/20
11610/11610 [==============================] - 1s 102us/sample - loss: 1.8095 - val_loss: 1.4409
Epoch 2/20
11610/11610 [==============================] - 1s 78us/sample - loss: 0.6798 - val_loss: 0.6123
Epoch 3/20
11610/11610 [==============================] - 1s 76us/sample - loss: 0.5957 - val_loss: 0.5618
Epoch 4/20
11610/11610 [==============================] - 1s 76us/sample - loss: 0.5580 - val_loss: 0.5514
Epoch 5/20
11610/11610 [==============================] - 1s 82us/sample - loss: 0.5331 - val_loss: 0.5073
Epoch 6/20
11610/11610 [==============================] - 1s 72us/sample - loss: 0.5124 - val_loss: 0.4860
Epoch 7/20
11610/11610 [==============================] - 1s 73us/sample - loss: 0.4972 - val_loss: 0.4631
Epoch 8/20
11610/11610 [==============================] - 1s 72us/sample - loss: 0.4834 - val_loss: 0.4514
Epoch 9/20
11610/11610 [==============================] - 1s 69us/sample - loss: 0.4746 - val_loss: 0.4436
Epoch 10/20
11610/11610 [==============================] - 1s 70us/sample - loss: 0.4648 - val_loss: 0.4318
Epoch 11/20
11610/11610 [==============================] - 1s 74us/sample - loss: 0.4575 - val_loss: 0.4269
Epoch 12/20
11610/11610 [==============================] - 1s 68us/sample - loss: 0.4520 - val_loss: 0.4190
Epoch 13/20
11610/11610 [==============================] - 1s 65us/sample - loss: 0.4474 - val_loss: 0.4136
Epoch 14/20
11610/11610 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.4424 - val_loss: 0.4072
Epoch 15/20
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.4389 - val_loss: 0.4169
Epoch 16/20
11610/11610 [==============================] - 1s 64us/sample - loss: 0.4360 - val_loss: 0.4023
Epoch 17/20
11610/11610 [==============================] - 1s 62us/sample - loss: 0.4329 - val_loss: 0.4153
Epoch 18/20
11610/11610 [==============================] - 1s 69us/sample - loss: 0.4300 - val_loss: 0.4054
Epoch 19/20
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.4282 - val_loss: 0.3941
Epoch 20/20
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.4256 - val_loss: 0.4022
5160/1 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=================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================] - 0s 30us/sample - loss: 0.3948

Adding an auxiliary output for regularization:

np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

input_A = keras.layers.Input(shape=[5], name="wide_input")
input_B = keras.layers.Input(shape=[6], name="deep_input")
hidden1 = keras.layers.Dense(30, activation="relu")(input_B)
hidden2 = keras.layers.Dense(30, activation="relu")(hidden1)
concat = keras.layers.concatenate([input_A, hidden2])
output = keras.layers.Dense(1, name="main_output")(concat)
aux_output = keras.layers.Dense(1, name="aux_output")(hidden2)
model = keras.models.Model(inputs=[input_A, input_B],
                           outputs=[output, aux_output])

model.compile(loss=["mse", "mse"], loss_weights=[0.9, 0.1], optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=1e-3))

history = model.fit([X_train_A, X_train_B], [y_train, y_train], epochs=20,
                    validation_data=([X_valid_A, X_valid_B], [y_valid, y_valid]))

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/20
11610/11610 [==============================] - 1s 129us/sample - loss: 2.1329 - main_output_loss: 1.9166 - aux_output_loss: 4.0719 - val_loss: 2.2885 - val_main_output_loss: 1.5657 - val_aux_output_loss: 8.7861
Epoch 2/20
11610/11610 [==============================] - 1s 73us/sample - loss: 0.8910 - main_output_loss: 0.6989 - aux_output_loss: 2.6202 - val_loss: 1.4258 - val_main_output_loss: 0.6285 - val_aux_output_loss: 8.5972
Epoch 3/20
11610/11610 [==============================] - 1s 81us/sample - loss: 0.7397 - main_output_loss: 0.6064 - aux_output_loss: 1.9374 - val_loss: 1.3894 - val_main_output_loss: 0.5941 - val_aux_output_loss: 8.5417
Epoch 4/20
11610/11610 [==============================] - 1s 75us/sample - loss: 0.6746 - main_output_loss: 0.5684 - aux_output_loss: 1.6301 - val_loss: 1.3275 - val_main_output_loss: 0.6028 - val_aux_output_loss: 7.8451
Epoch 5/20
11610/11610 [==============================] - 1s 72us/sample - loss: 0.6363 - main_output_loss: 0.5435 - aux_output_loss: 1.4718 - val_loss: 1.1835 - val_main_output_loss: 0.5129 - val_aux_output_loss: 7.2143
Epoch 6/20
11610/11610 [==============================] - 1s 77us/sample - loss: 0.6069 - main_output_loss: 0.5207 - aux_output_loss: 1.3822 - val_loss: 1.0730 - val_main_output_loss: 0.5223 - val_aux_output_loss: 6.0249
Epoch 7/20
11610/11610 [==============================] - 1s 77us/sample - loss: 0.5846 - main_output_loss: 0.5042 - aux_output_loss: 1.3088 - val_loss: 0.9560 - val_main_output_loss: 0.4858 - val_aux_output_loss: 5.1844
Epoch 8/20
11610/11610 [==============================] - 1s 74us/sample - loss: 0.5651 - main_output_loss: 0.4887 - aux_output_loss: 1.2531 - val_loss: 0.8607 - val_main_output_loss: 0.4838 - val_aux_output_loss: 4.2492
Epoch 9/20
11610/11610 [==============================] - 1s 76us/sample - loss: 0.5509 - main_output_loss: 0.4785 - aux_output_loss: 1.2035 - val_loss: 0.7745 - val_main_output_loss: 0.4487 - val_aux_output_loss: 3.7042
Epoch 10/20
11610/11610 [==============================] - 1s 73us/sample - loss: 0.5373 - main_output_loss: 0.4671 - aux_output_loss: 1.1684 - val_loss: 0.7035 - val_main_output_loss: 0.4405 - val_aux_output_loss: 3.0682
Epoch 11/20
11610/11610 [==============================] - 1s 76us/sample - loss: 0.5265 - main_output_loss: 0.4591 - aux_output_loss: 1.1317 - val_loss: 0.6478 - val_main_output_loss: 0.4307 - val_aux_output_loss: 2.5991
Epoch 12/20
11610/11610 [==============================] - 1s 80us/sample - loss: 0.5177 - main_output_loss: 0.4527 - aux_output_loss: 1.1031 - val_loss: 0.6002 - val_main_output_loss: 0.4234 - val_aux_output_loss: 2.1902
Epoch 13/20
11610/11610 [==============================] - 1s 82us/sample - loss: 0.5100 - main_output_loss: 0.4473 - aux_output_loss: 1.0758 - val_loss: 0.5638 - val_main_output_loss: 0.4153 - val_aux_output_loss: 1.8992
Epoch 14/20
11610/11610 [==============================] - 1s 85us/sample - loss: 0.5028 - main_output_loss: 0.4420 - aux_output_loss: 1.0510 - val_loss: 0.5344 - val_main_output_loss: 0.4111 - val_aux_output_loss: 1.6419
Epoch 15/20
11610/11610 [==============================] - 1s 83us/sample - loss: 0.4969 - main_output_loss: 0.4379 - aux_output_loss: 1.0276 - val_loss: 0.5152 - val_main_output_loss: 0.4061 - val_aux_output_loss: 1.4951
Epoch 16/20
11610/11610 [==============================] - 1s 82us/sample - loss: 0.4917 - main_output_loss: 0.4344 - aux_output_loss: 1.0075 - val_loss: 0.4950 - val_main_output_loss: 0.4015 - val_aux_output_loss: 1.3357
Epoch 17/20
11610/11610 [==============================] - 1s 84us/sample - loss: 0.4871 - main_output_loss: 0.4314 - aux_output_loss: 0.9873 - val_loss: 0.4886 - val_main_output_loss: 0.4047 - val_aux_output_loss: 1.2428
Epoch 18/20
11610/11610 [==============================] - 1s 86us/sample - loss: 0.4825 - main_output_loss: 0.4283 - aux_output_loss: 0.9695 - val_loss: 0.4770 - val_main_output_loss: 0.4020 - val_aux_output_loss: 1.1506
Epoch 19/20
11610/11610 [==============================] - 1s 86us/sample - loss: 0.4792 - main_output_loss: 0.4268 - aux_output_loss: 0.9509 - val_loss: 0.4631 - val_main_output_loss: 0.3952 - val_aux_output_loss: 1.0726
Epoch 20/20
11610/11610 [==============================] - 1s 93us/sample - loss: 0.4754 - main_output_loss: 0.4243 - aux_output_loss: 0.9344 - val_loss: 0.4643 - val_main_output_loss: 0.4013 - val_aux_output_loss: 1.0297

total_loss, main_loss, aux_loss = model.evaluate(
    [X_test_A, X_test_B], [y_test, y_test])
y_pred_main, y_pred_aux = model.predict([X_new_A, X_new_B])

5160/1 [=======================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================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- 0s 43us/sample - loss: 0.5012 - main_output_loss: 0.4192 - aux_output_loss: 0.9136

The subclassing API

class WideAndDeepModel(keras.models.Model):
    def __init__(self, units=30, activation="relu", **kwargs):
        super().__init__(**kwargs)
        self.hidden1 = keras.layers.Dense(units, activation=activation)
        self.hidden2 = keras.layers.Dense(units, activation=activation)
        self.main_output = keras.layers.Dense(1)
        self.aux_output = keras.layers.Dense(1)
        
    def call(self, inputs):
        input_A, input_B = inputs
        hidden1 = self.hidden1(input_B)
        hidden2 = self.hidden2(hidden1)
        concat = keras.layers.concatenate([input_A, hidden2])
        main_output = self.main_output(concat)
        aux_output = self.aux_output(hidden2)
        return main_output, aux_output

model = WideAndDeepModel(30, activation="relu")

model.compile(loss="mse", loss_weights=[0.9, 0.1], optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=1e-3))
history = model.fit((X_train_A, X_train_B), (y_train, y_train), epochs=10,
                    validation_data=((X_valid_A, X_valid_B), (y_valid, y_valid)))
total_loss, main_loss, aux_loss = model.evaluate((X_test_A, X_test_B), (y_test, y_test))
y_pred_main, y_pred_aux = model.predict((X_new_A, X_new_B))

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/10
11610/11610 [==============================] - 2s 158us/sample - loss: 2.2968 - output_1_loss: 2.1826 - output_2_loss: 3.3166 - val_loss: 3.0093 - val_output_1_loss: 1.5519 - val_output_2_loss: 16.1139
Epoch 2/10
11610/11610 [==============================] - 1s 89us/sample - loss: 0.9760 - output_1_loss: 0.8529 - output_2_loss: 2.0834 - val_loss: 1.9290 - val_output_1_loss: 0.7524 - val_output_2_loss: 12.5119
Epoch 3/10
11610/11610 [==============================] - 1s 93us/sample - loss: 0.8288 - output_1_loss: 0.7270 - output_2_loss: 1.7431 - val_loss: 1.6768 - val_output_1_loss: 0.7256 - val_output_2_loss: 10.2305
Epoch 4/10
11610/11610 [==============================] - 1s 95us/sample - loss: 0.7637 - output_1_loss: 0.6744 - output_2_loss: 1.5665 - val_loss: 1.4544 - val_output_1_loss: 0.6860 - val_output_2_loss: 8.3638
Epoch 5/10
11610/11610 [==============================] - 1s 99us/sample - loss: 0.7227 - output_1_loss: 0.6411 - output_2_loss: 1.4571 - val_loss: 1.2427 - val_output_1_loss: 0.5967 - val_output_2_loss: 7.0528
Epoch 6/10
11610/11610 [==============================] - 1s 100us/sample - loss: 0.6895 - output_1_loss: 0.6112 - output_2_loss: 1.3930 - val_loss: 1.0799 - val_output_1_loss: 0.6053 - val_output_2_loss: 5.3475
Epoch 7/10
11610/11610 [==============================] - 1s 105us/sample - loss: 0.6636 - output_1_loss: 0.5896 - output_2_loss: 1.3307 - val_loss: 0.9392 - val_output_1_loss: 0.5494 - val_output_2_loss: 4.4450
Epoch 8/10
11610/11610 [==============================] - 1s 114us/sample - loss: 0.6405 - output_1_loss: 0.5690 - output_2_loss: 1.2844 - val_loss: 0.8430 - val_output_1_loss: 0.5423 - val_output_2_loss: 3.5472
Epoch 9/10
11610/11610 [==============================] - 1s 108us/sample - loss: 0.6206 - output_1_loss: 0.5518 - output_2_loss: 1.2407 - val_loss: 0.7637 - val_output_1_loss: 0.5070 - val_output_2_loss: 3.0717
Epoch 10/10
11610/11610 [==============================] - 1s 104us/sample - loss: 0.6021 - output_1_loss: 0.5351 - output_2_loss: 1.2050 - val_loss: 0.7024 - val_output_1_loss: 0.4924 - val_output_2_loss: 2.5903
5160/1 [=======================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================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- 0s 58us/sample - loss: 0.7145 - output_1_loss: 0.5205 - output_2_loss: 1.1761

model = WideAndDeepModel(30, activation="relu")

Saving and Restoring

np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

model = keras.models.Sequential([
    keras.layers.Dense(30, activation="relu", input_shape=[8]),
    keras.layers.Dense(30, activation="relu"),
    keras.layers.Dense(1)
])    

model.compile(loss="mse", optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=1e-3))
history = model.fit(X_train, y_train, epochs=10, validation_data=(X_valid, y_valid))
mse_test = model.evaluate(X_test, y_test)

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/10
11610/11610 [==============================] - 1s 125us/sample - loss: 1.8631 - val_loss: 3.2403
Epoch 2/10
11610/11610 [==============================] - 1s 79us/sample - loss: 0.6723 - val_loss: 0.6939
Epoch 3/10
11610/11610 [==============================] - 1s 78us/sample - loss: 0.5927 - val_loss: 0.5531
Epoch 4/10
11610/11610 [==============================] - 1s 78us/sample - loss: 0.5550 - val_loss: 0.5519
Epoch 5/10
11610/11610 [==============================] - 1s 76us/sample - loss: 0.5278 - val_loss: 0.5715
Epoch 6/10
11610/11610 [==============================] - 1s 76us/sample - loss: 0.5032 - val_loss: 0.5591
Epoch 7/10
11610/11610 [==============================] - 1s 76us/sample - loss: 0.4863 - val_loss: 0.4593
Epoch 8/10
11610/11610 [==============================] - 1s 74us/sample - loss: 0.4701 - val_loss: 0.4651
Epoch 9/10
11610/11610 [==============================] - 1s 72us/sample - loss: 0.4586 - val_loss: 0.4392
Epoch 10/10
11610/11610 [==============================] - 1s 71us/sample - loss: 0.4476 - val_loss: 0.4257
5160/1 [=======================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================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- 0s 36us/sample - loss: 0.3719

model.save("my_keras_model.h5")

model = keras.models.load_model("my_keras_model.h5")

model.predict(X_new)

array([[0.54909724],
       [1.6584849 ],
       [3.0271604 ]], dtype=float32)

model.save_weights("my_keras_weights.ckpt")

model.load_weights("my_keras_weights.ckpt")

<tensorflow.python.training.tracking.util.CheckpointLoadStatus at 0x7f432a0e4e10>

Using Callbacks during Training

keras.backend.clear_session()
np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

model = keras.models.Sequential([
    keras.layers.Dense(30, activation="relu", input_shape=[8]),
    keras.layers.Dense(30, activation="relu"),
    keras.layers.Dense(1)
])    

model.compile(loss="mse", optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=1e-3))
checkpoint_cb = keras.callbacks.ModelCheckpoint("my_keras_model.h5", save_best_only=True)
history = model.fit(X_train, y_train, epochs=10,
                    validation_data=(X_valid, y_valid),
                    callbacks=[checkpoint_cb])
model = keras.models.load_model("my_keras_model.h5") # rollback to best model
mse_test = model.evaluate(X_test, y_test)

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/10
11610/11610 [==============================] - 1s 99us/sample - loss: 1.8631 - val_loss: 3.2403
Epoch 2/10
11610/11610 [==============================] - 1s 75us/sample - loss: 0.6723 - val_loss: 0.6939
Epoch 3/10
11610/11610 [==============================] - 1s 75us/sample - loss: 0.5927 - val_loss: 0.5531
Epoch 4/10
11610/11610 [==============================] - 1s 73us/sample - loss: 0.5550 - val_loss: 0.5519
Epoch 5/10
11610/11610 [==============================] - 1s 71us/sample - loss: 0.5278 - val_loss: 0.5715
Epoch 6/10
11610/11610 [==============================] - 1s 69us/sample - loss: 0.5032 - val_loss: 0.5591
Epoch 7/10
11610/11610 [==============================] - 1s 68us/sample - loss: 0.4863 - val_loss: 0.4593
Epoch 8/10
11610/11610 [==============================] - 1s 65us/sample - loss: 0.4701 - val_loss: 0.4651
Epoch 9/10
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.4586 - val_loss: 0.4392
Epoch 10/10
11610/11610 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.4476 - val_loss: 0.4257
5160/1 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- 0s 45us/sample - loss: 0.3719

model.compile(loss="mse", optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=1e-3))
early_stopping_cb = keras.callbacks.EarlyStopping(patience=10,
                                                  restore_best_weights=True)
history = model.fit(X_train, y_train, epochs=100,
                    validation_data=(X_valid, y_valid),
                    callbacks=[checkpoint_cb, early_stopping_cb])
mse_test = model.evaluate(X_test, y_test)

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/100
11610/11610 [==============================] - 1s 96us/sample - loss: 0.4388 - val_loss: 0.4122
Epoch 2/100
11610/11610 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.4319 - val_loss: 0.4046
Epoch 3/100
11610/11610 [==============================] - 1s 70us/sample - loss: 0.4256 - val_loss: 0.4065
Epoch 4/100
11610/11610 [==============================] - 1s 83us/sample - loss: 0.4202 - val_loss: 0.3998
Epoch 5/100
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.4157 - val_loss: 0.3970
Epoch 6/100
11610/11610 [==============================] - 1s 67us/sample - loss: 0.4112 - val_loss: 0.3964
Epoch 7/100
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.4072 - val_loss: 0.3807
Epoch 8/100
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Epoch 9/100
11610/11610 [==============================] - 1s 65us/sample - loss: 0.4007 - val_loss: 0.3779
Epoch 10/100
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Epoch 11/100
11610/11610 [==============================] - 1s 64us/sample - loss: 0.3948 - val_loss: 0.3733
Epoch 12/100
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.3921 - val_loss: 0.3669
Epoch 13/100
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Epoch 16/100
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11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.3619 - val_loss: 0.3723
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Epoch 39/100
11610/11610 [==============================] - 1s 70us/sample - loss: 0.3526 - val_loss: 0.3331
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5160/1 [=======================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================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- 0s 37us/sample - loss: 0.2325

class PrintValTrainRatioCallback(keras.callbacks.Callback):
    def on_epoch_end(self, epoch, logs):
        print("\nval/train: {:.2f}".format(logs["val_loss"] / logs["loss"]))

val_train_ratio_cb = PrintValTrainRatioCallback()
history = model.fit(X_train, y_train, epochs=1,
                    validation_data=(X_valid, y_valid),
                    callbacks=[val_train_ratio_cb])

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
11232/11610 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.3446
val/train: 1.10
11610/11610 [==============================] - 1s 71us/sample - loss: 0.3465 - val_loss: 0.3825

TensorBoard

root_logdir = os.path.join(os.curdir, "my_logs")

def get_run_logdir():
    import time
    run_id = time.strftime("run_%Y_%m_%d-%H_%M_%S")
    return os.path.join(root_logdir, run_id)

run_logdir = get_run_logdir()
run_logdir

'./my_logs/run_2019_09_27-12_39_34'

keras.backend.clear_session()
np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

model = keras.models.Sequential([
    keras.layers.Dense(30, activation="relu", input_shape=[8]),
    keras.layers.Dense(30, activation="relu"),
    keras.layers.Dense(1)
])    
model.compile(loss="mse", optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=1e-3))

tensorboard_cb = keras.callbacks.TensorBoard(run_logdir)
history = model.fit(X_train, y_train, epochs=30,
                    validation_data=(X_valid, y_valid),
                    callbacks=[checkpoint_cb, tensorboard_cb])

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/30
11610/11610 [==============================] - 1s 106us/sample - loss: 1.8631 - val_loss: 3.2403
Epoch 2/30
11610/11610 [==============================] - 1s 64us/sample - loss: 0.6723 - val_loss: 0.6939
Epoch 3/30
11610/11610 [==============================] - 1s 64us/sample - loss: 0.5927 - val_loss: 0.5531
Epoch 4/30
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.5550 - val_loss: 0.5519
Epoch 5/30
11610/11610 [==============================] - 1s 59us/sample - loss: 0.5278 - val_loss: 0.5715
Epoch 6/30
11610/11610 [==============================] - 1s 67us/sample - loss: 0.5032 - val_loss: 0.5591
Epoch 7/30
11610/11610 [==============================] - 1s 65us/sample - loss: 0.4863 - val_loss: 0.4593
Epoch 8/30
11610/11610 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.4701 - val_loss: 0.4651
Epoch 9/30
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.4586 - val_loss: 0.4392
Epoch 10/30
11610/11610 [==============================] - 1s 68us/sample - loss: 0.4476 - val_loss: 0.4257
Epoch 11/30
11610/11610 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.4391 - val_loss: 0.4122
Epoch 12/30
11610/11610 [==============================] - 1s 73us/sample - loss: 0.4316 - val_loss: 0.4052
Epoch 13/30
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.4255 - val_loss: 0.4025
Epoch 14/30
11610/11610 [==============================] - 1s 67us/sample - loss: 0.4203 - val_loss: 0.3962
Epoch 15/30
11610/11610 [==============================] - 1s 61us/sample - loss: 0.4154 - val_loss: 0.3906
Epoch 16/30
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.4110 - val_loss: 0.3923
Epoch 17/30
11610/11610 [==============================] - 1s 59us/sample - loss: 0.4076 - val_loss: 0.3851
Epoch 18/30
11610/11610 [==============================] - 1s 64us/sample - loss: 0.4036 - val_loss: 0.3802
Epoch 19/30
11610/11610 [==============================] - 1s 67us/sample - loss: 0.4007 - val_loss: 0.3744
Epoch 20/30
11610/11610 [==============================] - 1s 62us/sample - loss: 0.3976 - val_loss: 0.3716
Epoch 21/30
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.3950 - val_loss: 0.3709
Epoch 22/30
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.3922 - val_loss: 0.3663
Epoch 23/30
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.3896 - val_loss: 0.3668
Epoch 24/30
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.3874 - val_loss: 0.3627
Epoch 25/30
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.3850 - val_loss: 0.3675
Epoch 26/30
11610/11610 [==============================] - 1s 74us/sample - loss: 0.3826 - val_loss: 0.3703
Epoch 27/30
11610/11610 [==============================] - 1s 67us/sample - loss: 0.3807 - val_loss: 0.3560
Epoch 28/30
11610/11610 [==============================] - 1s 61us/sample - loss: 0.3784 - val_loss: 0.3667
Epoch 29/30
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.3764 - val_loss: 0.3633
Epoch 30/30
11610/11610 [==============================] - 1s 62us/sample - loss: 0.3746 - val_loss: 0.3514

To start the TensorBoard server, one option is to open a terminal, if needed activate the virtualenv where you installed TensorBoard, go to this notebook's directory, then type:

$ tensorboard --logdir=./my_logs --port=6006

You can then open your web browser to localhost:6006 and use TensorBoard. Once you are done, press Ctrl-C in the terminal window, this will shutdown the TensorBoard server.

Alternatively, you can load TensorBoard's Jupyter extension and run it like this:

%load_ext tensorboard
%tensorboard --logdir=./my_logs --port=6006

Reusing TensorBoard on port 6006 (pid 1083), started 0:09:06 ago. (Use '!kill 1083' to kill it.)

run_logdir2 = get_run_logdir()
run_logdir2

'./my_logs/run_2019_09_27-12_39_57'

keras.backend.clear_session()
np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

model = keras.models.Sequential([
    keras.layers.Dense(30, activation="relu", input_shape=[8]),
    keras.layers.Dense(30, activation="relu"),
    keras.layers.Dense(1)
])    
model.compile(loss="mse", optimizer=keras.optimizers.SGD(lr=0.05))

tensorboard_cb = keras.callbacks.TensorBoard(run_logdir2)
history = model.fit(X_train, y_train, epochs=30,
                    validation_data=(X_valid, y_valid),
                    callbacks=[checkpoint_cb, tensorboard_cb])

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/30
11610/11610 [==============================] - 1s 105us/sample - loss: 0.7860 - val_loss: 3.9608
Epoch 2/30
11610/11610 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.4406 - val_loss: 19.3299
Epoch 3/30
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.3807 - val_loss: 1.9256
Epoch 4/30
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.4085 - val_loss: 0.3695
Epoch 5/30
11610/11610 [==============================] - 1s 65us/sample - loss: 0.3784 - val_loss: 0.3267
Epoch 6/30
11610/11610 [==============================] - 1s 62us/sample - loss: 0.3587 - val_loss: 4.5474
Epoch 7/30
11610/11610 [==============================] - 1s 62us/sample - loss: 0.3898 - val_loss: 0.3186
Epoch 8/30
11610/11610 [==============================] - 1s 59us/sample - loss: 0.3448 - val_loss: 0.3265
Epoch 9/30
11610/11610 [==============================] - 1s 64us/sample - loss: 0.3374 - val_loss: 0.3110
Epoch 10/30
11610/11610 [==============================] - 1s 73us/sample - loss: 0.3353 - val_loss: 0.3112
Epoch 11/30
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.3520 - val_loss: 0.3231
Epoch 12/30
11610/11610 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.3376 - val_loss: 0.3217
Epoch 13/30
11610/11610 [==============================] - 1s 63us/sample - loss: 0.3266 - val_loss: 0.4437
Epoch 14/30
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.3256 - val_loss: 0.3286
Epoch 15/30
11610/11610 [==============================] - 1s 62us/sample - loss: 0.3192 - val_loss: 0.3212
Epoch 16/30
11610/11610 [==============================] - 1s 64us/sample - loss: 0.3165 - val_loss: 0.2979
Epoch 17/30
11610/11610 [==============================] - 1s 71us/sample - loss: 0.3089 - val_loss: 0.2963
Epoch 18/30
11610/11610 [==============================] - 1s 59us/sample - loss: 0.3059 - val_loss: 0.2995
Epoch 19/30
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.3030 - val_loss: 0.2844
Epoch 20/30
11610/11610 [==============================] - 1s 58us/sample - loss: 0.3012 - val_loss: 0.2842
Epoch 21/30
11610/11610 [==============================] - 1s 56us/sample - loss: 0.2978 - val_loss: 0.2955
Epoch 22/30
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.2947 - val_loss: 0.2878
Epoch 23/30
11610/11610 [==============================] - 1s 56us/sample - loss: 0.2909 - val_loss: 0.2924
Epoch 24/30
11610/11610 [==============================] - 1s 65us/sample - loss: 0.2908 - val_loss: 0.2821
Epoch 25/30
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.2907 - val_loss: 0.2790
Epoch 26/30
11610/11610 [==============================] - 1s 59us/sample - loss: 0.2858 - val_loss: 0.2810
Epoch 27/30
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.2870 - val_loss: 0.2797
Epoch 28/30
11610/11610 [==============================] - 1s 58us/sample - loss: 0.2838 - val_loss: 0.2886
Epoch 29/30
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.2894 - val_loss: 0.2927
Epoch 30/30
11610/11610 [==============================] - 1s 56us/sample - loss: 0.2835 - val_loss: 0.2728

Notice how TensorBoard now sees two runs, and you can compare the learning curves.

Check out the other available logging options:

help(keras.callbacks.TensorBoard.__init__)

Help on function __init__ in module tensorflow.python.keras.callbacks:

__init__(self, log_dir='logs', histogram_freq=0, write_graph=True, write_images=False, update_freq='epoch', profile_batch=2, embeddings_freq=0, embeddings_metadata=None, **kwargs)
    Initialize self.  See help(type(self)) for accurate signature.

Hyperparameter Tuning

keras.backend.clear_session()
np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

def build_model(n_hidden=1, n_neurons=30, learning_rate=3e-3, input_shape=[8]):
    model = keras.models.Sequential()
    model.add(keras.layers.InputLayer(input_shape=input_shape))
    for layer in range(n_hidden):
        model.add(keras.layers.Dense(n_neurons, activation="relu"))
    model.add(keras.layers.Dense(1))
    optimizer = keras.optimizers.SGD(lr=learning_rate)
    model.compile(loss="mse", optimizer=optimizer)
    return model

keras_reg = keras.wrappers.scikit_learn.KerasRegressor(build_model)

keras_reg.fit(X_train, y_train, epochs=100,
              validation_data=(X_valid, y_valid),
              callbacks=[keras.callbacks.EarlyStopping(patience=10)])

Train on 11610 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/100
11610/11610 [==============================] - 1s 92us/sample - loss: 1.1815 - val_loss: 20.7837
Epoch 2/100
11610/11610 [==============================] - 1s 54us/sample - loss: 0.7013 - val_loss: 0.6646
Epoch 3/100
11610/11610 [==============================] - 1s 53us/sample - loss: 0.5197 - val_loss: 0.5974
Epoch 4/100
11610/11610 [==============================] - 1s 54us/sample - loss: 0.4811 - val_loss: 0.5292
Epoch 5/100
11610/11610 [==============================] - 1s 53us/sample - loss: 0.4565 - val_loss: 0.4813
Epoch 6/100
11610/11610 [==============================] - 1s 54us/sample - loss: 0.4393 - val_loss: 0.4501
Epoch 7/100
11610/11610 [==============================] - 1s 54us/sample - loss: 0.4283 - val_loss: 0.4231
Epoch 8/100
11610/11610 [==============================] - 1s 54us/sample - loss: 0.4205 - val_loss: 0.4072
Epoch 9/100
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.4154 - val_loss: 0.3956
Epoch 10/100
11610/11610 [==============================] - 1s 54us/sample - loss: 0.4100 - val_loss: 0.3873
Epoch 11/100
11610/11610 [==============================] - 1s 53us/sample - loss: 0.4060 - val_loss: 0.3811
Epoch 12/100
11610/11610 [==============================] - 1s 64us/sample - loss: 0.4028 - val_loss: 0.3743
Epoch 13/100
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.3995 - val_loss: 0.3691
Epoch 14/100
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.3964 - val_loss: 0.3657
Epoch 15/100
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.3932 - val_loss: 0.3640
Epoch 16/100
11610/11610 [==============================] - 1s 54us/sample - loss: 0.3903 - val_loss: 0.3618
Epoch 17/100
11610/11610 [==============================] - 1s 57us/sample - loss: 0.3882 - val_loss: 0.3629
Epoch 18/100
11610/11610 [==============================] - 1s 54us/sample - loss: 0.3856 - val_loss: 0.3661
Epoch 19/100
11610/11610 [==============================] - 1s 56us/sample - loss: 0.3836 - val_loss: 0.3649
Epoch 20/100
11610/11610 [==============================] - 1s 55us/sample - loss: 0.3817 - val_loss: 0.3670
Epoch 21/100
11610/11610 [==============================] - 1s 59us/sample - loss: 0.3799 - val_loss: 0.3721
Epoch 22/100
11610/11610 [==============================] - 1s 58us/sample - loss: 0.3782 - val_loss: 0.3768
Epoch 23/100
11610/11610 [==============================] - 1s 55us/sample - loss: 0.3765 - val_loss: 0.3853
Epoch 24/100
11610/11610 [==============================] - 1s 55us/sample - loss: 0.3753 - val_loss: 0.3889
Epoch 25/100
11610/11610 [==============================] - 1s 60us/sample - loss: 0.3737 - val_loss: 0.3938
Epoch 26/100
11610/11610 [==============================] - 1s 55us/sample - loss: 0.3721 - val_loss: 0.3986

<tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7f4329e77c18>

mse_test = keras_reg.score(X_test, y_test)

5160/1 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- 0s 32us/sample - loss: 0.2821

y_pred = keras_reg.predict(X_new)

np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)

from scipy.stats import reciprocal
from sklearn.model_selection import RandomizedSearchCV

param_distribs = {
    "n_hidden": [0, 1, 2, 3],
    "n_neurons": np.arange(1, 100),
    "learning_rate": reciprocal(3e-4, 3e-2),
}

rnd_search_cv = RandomizedSearchCV(keras_reg, param_distribs, n_iter=10, cv=3, verbose=2)
rnd_search_cv.fit(X_train, y_train, epochs=100,
                  validation_data=(X_valid, y_valid),
                  callbacks=[keras.callbacks.EarlyStopping(patience=10)])

Fitting 3 folds for each of 10 candidates, totalling 30 fits
[CV] learning_rate=0.001683454924600351, n_hidden=0, n_neurons=15 ....
Train on 7740 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/100

[Parallel(n_jobs=1)]: Using backend SequentialBackend with 1 concurrent workers.

7740/7740 [==============================] - 1s 99us/sample - loss: 3.5564 - val_loss: 1.8584
Epoch 2/100
7740/7740 [==============================] - 0s 64us/sample - loss: 1.3350 - val_loss: 0.9421
Epoch 3/100
7740/7740 [==============================] - 0s 63us/sample - loss: 0.8579 - val_loss: 0.7273
Epoch 4/100
7740/7740 [==============================] - 0s 63us/sample - loss: 0.7340 - val_loss: 0.9321
Epoch 5/100
7740/7740 [==============================] - 0s 64us/sample - loss: 0.6951 - val_loss: 0.6364
Epoch 6/100
7740/7740 [==============================] - 0s 64us/sample - loss: 0.6682 - val_loss: 0.8188
Epoch 7/100
7740/7740 [==============================] - 1s 68us/sample - loss: 0.6526 - val_loss: 0.7451
Epoch 8/100
7740/7740 [==============================] - 0s 60us/sample - loss: 0.6386 - val_loss: 0.6280
Epoch 9/100
7740/7740 [==============================] - 0s 64us/sample - loss: 0.6251 - val_loss: 0.6979
Epoch 10/100
7740/7740 [==============================] - 0s 63us/sample - loss: 0.6158 - val_loss: 0.6021
Epoch 11/100
7740/7740 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.6051 - val_loss: 0.6643
Epoch 12/100
7740/7740 [==============================] - 0s 63us/sample - loss: 0.5946 - val_loss: 0.8636
Epoch 13/100
7740/7740 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.5902 - val_loss: 0.8237
Epoch 14/100
7740/7740 [==============================] - 1s 71us/sample - loss: 0.5832 - val_loss: 0.7869
Epoch 15/100
7740/7740 [==============================] - 0s 64us/sample - loss: 0.5775 - val_loss: 0.7705
Epoch 16/100
7740/7740 [==============================] - 1s 65us/sample - loss: 0.5737 - val_loss: 0.5672
Epoch 17/100
7740/7740 [==============================] - 1s 67us/sample - loss: 0.5650 - val_loss: 0.7790
Epoch 18/100
7740/7740 [==============================] - 1s 75us/sample - loss: 0.5648 - val_loss: 0.5320
Epoch 19/100
7740/7740 [==============================] - 1s 65us/sample - loss: 0.5567 - val_loss: 0.7912
Epoch 20/100
7740/7740 [==============================] - 1s 69us/sample - loss: 0.5579 - val_loss: 0.5403
Epoch 21/100
7740/7740 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.5509 - val_loss: 0.7231
Epoch 22/100
7740/7740 [==============================] - 0s 64us/sample - loss: 0.5519 - val_loss: 0.5681
Epoch 23/100
7740/7740 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.5463 - val_loss: 0.6945
Epoch 24/100
7740/7740 [==============================] - 1s 70us/sample - loss: 0.5458 - val_loss: 0.6822
Epoch 25/100
7740/7740 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.5442 - val_loss: 0.6403
Epoch 26/100
7740/7740 [==============================] - 1s 67us/sample - loss: 0.5427 - val_loss: 0.5947
Epoch 27/100
7740/7740 [==============================] - 1s 68us/sample - loss: 0.5404 - val_loss: 0.6411
Epoch 28/100
7740/7740 [==============================] - 1s 69us/sample - loss: 0.5401 - val_loss: 0.5758
3870/1 [=======================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================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- 0s 28us/sample - loss: 0.4881
[CV]  learning_rate=0.001683454924600351, n_hidden=0, n_neurons=15, total=  14.8s
[CV] learning_rate=0.001683454924600351, n_hidden=0, n_neurons=15 ....
Train on 7740 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/100

[Parallel(n_jobs=1)]: Done   1 out of   1 | elapsed:   15.0s remaining:    0.0s

7740/7740 [==============================] - 1s 109us/sample - loss: 3.5557 - val_loss: 23.2477
Epoch 2/100
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Epoch 3/100
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Epoch 4/100
7740/7740 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.8734 - val_loss: 1.5265
Epoch 5/100
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Epoch 6/100
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Epoch 7/100
7740/7740 [==============================] - 1s 66us/sample - loss: 0.7167 - val_loss: 2.4032
Epoch 8/100
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Epoch 9/100
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Epoch 10/100
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Epoch 12/100
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Epoch 13/100
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3870/1 [=======================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================================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- 0s 30us/sample - loss: 0.5362
[CV]  learning_rate=0.001683454924600351, n_hidden=0, n_neurons=15, total=   8.6s
[CV] learning_rate=0.001683454924600351, n_hidden=0, n_neurons=15 ....
Train on 7740 samples, validate on 3870 samples
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Train on 7740 samples, validate on 3870 samples
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- 0s 26us/sample - loss: 0.4709
[CV]  learning_rate=0.008731907739399206, n_hidden=0, n_neurons=21, total=   8.7s
[CV] learning_rate=0.008731907739399206, n_hidden=0, n_neurons=21 ....
Train on 7740 samples, validate on 3870 samples
Epoch 1/100
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Train on 7740 samples, validate on 3870 samples
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Train on 7740 samples, validate on 3870 samples
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Train on 7740 samples, validate on 3870 samples
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Train on 7740 samples, validate on 3870 samples
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Train on 7740 samples, validate on 3870 samples
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- 0s 47us/sample - loss: 790.7367
[CV]  learning_rate=0.006010328378268217, n_hidden=0, n_neurons=2, total=  10.8s
[CV] learning_rate=0.006010328378268217, n_hidden=0, n_neurons=2 .....
Train on 7740 samples, validate on 3870 samples
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6752/7740 [=========================>....] - ETA: 0s - loss: 0.5131

rnd_search_cv.best_params_

rnd_search_cv.best_score_

rnd_search_cv.best_estimator_

rnd_search_cv.score(X_test, y_test)

model = rnd_search_cv.best_estimator_.model
model

model.evaluate(X_test, y_test)

Exercise solutions

1. to 9.

See appendix A.

10.

TODO